鈦合金微制造技術(shù)研究進展與展望

王建樹，牛屾，明平美，丁達付，鄭興帥

1. 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 河南焦作 454000

2. 洛陽樂方重工機械有限公司 河南洛陽 471300

1 序言

精密化、微型化是現(xiàn)代制造業(yè)的重要發(fā)展方向。鈦合金作為一種重要的輕質(zhì)合金，具有比強度高、耐蝕性強以及生物相容性好等特點，被認為是制造金屬微結(jié)構(gòu)件的理想材料[1]。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，鈦合金必將在航空航天、生物醫(yī)療和精密儀器等領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

然而，鈦合金本身導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小且高溫下化學(xué)親和力強，屬于典型難加工材料[2，3]。同時，金屬微結(jié)構(gòu)件體積小、特征復(fù)雜，對精度及表面質(zhì)量要求高，采用傳統(tǒng)加工工藝普遍存在加工質(zhì)量差、刀具磨損快等現(xiàn)象。因此，研究和探尋高效、高品質(zhì)的鈦合金微制造技術(shù)已成為當前的一個熱點。

本文按增材、等材和減材成形類別對現(xiàn)有的鈦合金微制造方法與技術(shù)進行了綜述，介紹了它們的成形原理與工藝特點，并對鈦合金微制造技術(shù)的未來發(fā)展方向提出了展望。

2 鈦合金增材微制造技術(shù)

鈦合金增材微制造技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，在保護氣氛下打印出二維截面，堆積連續(xù)的二維截面進而獲得三維實體。常見的鈦合金增材制造技術(shù)有選區(qū)激光熔融（SLM）、選區(qū)電子束熔化（EBM）等。

SING等[4]通過SLM技術(shù)制備出圖1所示的鈦鉭合金多孔試樣，發(fā)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的尺寸精度、力學(xué)性能對激光功率更為敏感；MIRANDA等[5]研究了SLM技術(shù)加工薄壁零件的能力，通過數(shù)學(xué)模型分析了加工參數(shù)的影響，并以Ti6Al4V為原料制備出微板、微柱結(jié)構(gòu)；LIU等[6]通過EBM制備出具有優(yōu)良組織結(jié)構(gòu)的Ti2448多孔試樣，且該試樣有較高的強度模數(shù)比。

圖1 SLM技術(shù)加工的鈦鉭合金多孔試樣

增材微制造技術(shù)生產(chǎn)的零件存在內(nèi)部孔隙，對其機械性能有不利影響。此外，該技術(shù)以圖層堆積方式進行加工，成品零件表面粗糙度欠佳，部分場合需要后續(xù)處理以滿足實際需求。

3 鈦合金等材微制造技術(shù)

鈦合金等材微制造技術(shù)主要為粉末注射微成形技術(shù)。該技術(shù)加工時將粉末與粘結(jié)劑混煉制成加工原料，成形出特定形狀，經(jīng)脫脂、燒結(jié)等環(huán)節(jié)得到所需要的產(chǎn)品。該技術(shù)制備的工件成分均勻、后期廢料少，具備批量生產(chǎn)能力，其部分加工實例如圖2所示[7]。

圖2 粉末注射微成形制備的鈦合金微零件

由于該技術(shù)生產(chǎn)原料——低氧超細球形鈦粉成本較高，因此MANSHADI等[8]研究了低成本替代原料——氫化物脫氫（HDH）鈦粉的加工可行性，并確定了該原料的關(guān)鍵工藝參數(shù)，最終成品收縮均勻，但含氧量高于預(yù)期；HAYAT等[9]以水溶性聚乙二醇（PEG）為主要成分，聚碳酸亞內(nèi)酯（PPC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）為主鏈成分開發(fā)了適用于鈦合金粉末注射微成形的新型粘結(jié)劑體系，新型粘結(jié)劑可顯著提高成形件的生坯強度，有利于后續(xù)加工。

鈦合金粉末注射微成形技術(shù)具有批量生產(chǎn)能力，然而較高的原料成本限制了該技術(shù)的推廣，需要進一步開發(fā)低氧超細球形粉末的制備工藝，或開展低成本替代原料的加工性能研究。另外，鈦合金粉末注射微成形的粘結(jié)劑通常是借鑒其他粉末的加工工藝，特性無法與鈦合金完全匹配，需要進一步開發(fā)適合鈦合金的新型粘結(jié)劑以獲得更好的加工效果。

4 鈦合金減材微制造技術(shù)

4.1 機械微加工技術(shù)

機械微加工技術(shù)通過刀具的微量切削作用去除材料，具有加工精度高、表面完整性好、加工柔性強和表面成分穩(wěn)定等優(yōu)點。

PRATAP等[10]通過球頭微銑削技術(shù)在Ti6Al4V表面制備出了微凹坑與微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（部分微結(jié)構(gòu)見圖3），并研究了不同結(jié)構(gòu)的摩擦學(xué)性能；ZIBEROV等[11]研究了鈦合金微切削時刀具涂層對刀具磨損的影響，結(jié)果表明，在干式切削條件下，采用類金剛石涂層刀具、TiAlN涂層刀具切削Ti6Al4V材料時刀具磨損可分別降低640%、267%。

圖3 微銑削加工的Ti6Al4V微結(jié)構(gòu)

由于鈦合金的切削加工性能較差，加工過程易出現(xiàn)刀具磨損、表面毛刺等現(xiàn)象，因此鈦合金的機械微加工相較于常規(guī)金屬而言難度更大。盡管近期關(guān)于鈦合金機械微加工的研究論文爆發(fā)式增長，但其工業(yè)化應(yīng)用的案例實際上非常稀少。

4.2 熱能微加工技術(shù)

（1）激光微加工技術(shù) 激光微加工技術(shù)通過高能量密度激光蝕除工件材料，與常規(guī)激光加工技術(shù)相比精度更高，熱影響區(qū)更小，尤其適合工件局部的熱燒蝕處理。

TEMMLER等[12]在高掃描速度條件下對鈦合金進行了激光微加工，加工效果如圖4所示；WANG等[13]通過激光微加工技術(shù)在Ti6Al4V表面制備出連通的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)處理的零件表面光學(xué)反射率降低了90%。

圖4 激光微加工的鈦合金表面微結(jié)構(gòu)

激光微加工過程通常在空氣中進行，工件表面易發(fā)生氧化變質(zhì)，且熱能作用下鈦合金表面易產(chǎn)生熱損傷。該技術(shù)采用的短脈沖激光發(fā)生器成本較高，需要進一步研發(fā)高效、可靠且低成本的短脈沖激光發(fā)生器，以促進該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

（2）電火花微加工技術(shù) 電火花加工技術(shù)選用微米級工具電極，通過控制工具電極與工件之間的電火花來去除材料。該技術(shù)加工精度高，且具備加工高深寬比微結(jié)構(gòu)的能力。

TONG等[14]提出了雙軸聯(lián)動、單軸伺服的電火花微加工新工藝，通過新工藝成功加工出NiTi合金微零件（見圖5）；FENG等[15]探索了不同工具電極轉(zhuǎn)速下工作間隙介質(zhì)的速度場以及產(chǎn)物分布情況，發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的電極有助于清除產(chǎn)物并提高加工過程的穩(wěn)定性。

圖5 電火花微加工的NiTi微零件

電火花微加工技術(shù)同樣基于熱效應(yīng)去除工件材料，加工時易產(chǎn)生熱缺陷。由于其加工過程頻繁放電，所以電極會不可避免地發(fā)生損耗，降低加工精度。此外，在加工高深寬比微結(jié)構(gòu)時，加工產(chǎn)物易附著在工件表面，對加工穩(wěn)定性存在不利影響。

4.3 電解微加工技術(shù)

電解微加工技術(shù)以電化學(xué)溶解技術(shù)為原理，通過陽極金屬氧化溶解去除工件材料。該技術(shù)無電極損耗，加工過程無內(nèi)應(yīng)力，成品表面粗糙度好，且工件材料以離子形式去除，理論精度可達納米級。

為研究鈦合金電解微加工的可能性，ANASANE等[16]測試了不同電解質(zhì)條件下鈦合金的溶解特性，發(fā)現(xiàn)乙二醇-溴化鈉組合的電解液表現(xiàn)出優(yōu)異的加工效果；ANASANE等[17]研究了電解微加工中工藝參數(shù)對加工精度的影響，并通過層層電解銑削的方式在純鈦表面制備出如圖6所示的方形螺旋微通道通槽結(jié)構(gòu)；YU等[18]在采用氯化鈉-乙二醇電解液的基礎(chǔ)上引入了高速旋轉(zhuǎn)的螺旋電極以加速電解產(chǎn)物的去除，在鈦板上加工出了高精度、高表面質(zhì)量的微縫結(jié)構(gòu)。

圖6 電解微加工技術(shù)制備的方形螺旋微通道通槽

鈦合金具有易鈍化的特性，其在水基溶液中易形成鈍化層，會導(dǎo)致溶解過程難以持續(xù)穩(wěn)定進行。同時，電解微加工中的非加工區(qū)雜散腐蝕、加工表面再腐蝕等現(xiàn)象也會對成品的加工效果產(chǎn)生不利影響。雖然科技界對鈦合金電解微加工極有興趣并充滿期待，但該技術(shù)在實用化之前還需相當長的探索之路。

4.4 復(fù)合微加工技術(shù)

由于鈦合金具有諸多難加工特性，單一材料去除原理的加工方法存在一定局限，因此，為獲得更好的加工效果，常常將兩種或兩種以上不同原理的工藝組合形成復(fù)合加工。

為解決鈦合金切削性能差等問題，XIA等[19]提出激光誘導(dǎo)氧化銑削工藝，控制激光與氧氣輸送，誘導(dǎo)鈦合金表面形成松散的氧化層，后通過微銑削實現(xiàn)材料去除。該技術(shù)可獲得更好的加工表面質(zhì)量，且刀具磨損率極低。針對電火花加工產(chǎn)物排出困難等問題，SINGH等[20]開發(fā)出一種超聲輔助電火花微加工裝置，發(fā)現(xiàn)超聲振動對電火花微加工的材料去除率、刀具磨損率和孔錐度具有顯著影響。為改善鈦合金鈍化導(dǎo)致的加工穩(wěn)定性降低等問題，WANG等[21]研究了機械電解銑削過程中材料的去除機制，建立了數(shù)學(xué)模型以衡量加工期間電化學(xué)銑削與常規(guī)銑削的占比，與傳統(tǒng)的電解加工相比，機械電解銑削加工具有更高的加工效率。

復(fù)合微加工技術(shù)的原理性限制更少，具有更高的發(fā)展?jié)摿?。然而其加工過程相對復(fù)雜，不同能量聯(lián)合作用下材料的去除機理尚不完全清楚，因此鈦合金復(fù)合微加工技術(shù)目前多處于概念開發(fā)和原型開發(fā)階段，需要進一步研究以實現(xiàn)高效、高品質(zhì)的鈦合金微加工。

5 結(jié)束語

本文綜述了幾種重要的鈦合金微制造方法與技術(shù)，總結(jié)了各工藝的優(yōu)勢與不足。由于鈦合金具有諸多難加工特性，單一材料去除原理的加工方式存在一定的局限，而復(fù)合微加工技術(shù)目前處于起步階段，有待進一步研究，因此，未來的研究重點應(yīng)聚焦至以下方面。

1）對于減材微制造技術(shù)，需加深對材料去除機理的理解，改善加工過程中出現(xiàn)的不利因素。此外，需進一步推進復(fù)合微加工技術(shù)的研究，充分利用不同的加工機理實現(xiàn)鈦合金高質(zhì)量加工。

2）對于增材微制造技術(shù)，需進一步探索低孔隙率的微加工技術(shù)及高效的微結(jié)構(gòu)件后處理技術(shù)，逐步推進鈦合金增材微制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。

3）對于等材微制造技術(shù)，需開展低成本鈦粉的可行性研究，研發(fā)適配鈦合金材料特性的加工工藝以實現(xiàn)批量化的高質(zhì)量加工。